【供稿：原子与分子物理研究所】在量子信息科学领域，如何实现高速、高保真度的量子态操控是核心挑战。传统量子操作受限于退相干时间，其速度多停留在GHz量级。自旋轨道耦合作为一种强大的内在相互作用，其强度远超常见退相干源，为突破这一瓶颈提供了新路径。然而如何直接观测并操控自旋轨道耦合驱动的电子波包动力学，一直是实验物理学的难题。原子分子中电子动力学的实时演化研究为理解量子世界的本质提供了关键途径，飞秒和阿秒激光及相关谱学技术的进展使得在原子尺度上实时解析电子运动的超快动力学成为现实。

图1.自旋轨道耦合量子拍频动力学的实时观测。(A)实验装置示意图。(B)三个特征延迟时间点下光电子的二维动量分布。(C)光电子角分布随时间演化的实验观测结果与模型对比。

张栋栋等人利用飞秒激光电离光电子速度成像技术实现了在碱金属钾原子体系中电子自旋轨道相互作用的动力学的精密测量。研究工作在吉林大学原子与分子物理研究所自主搭建的超快动力学研究平台上，通过800 nm飞秒激光泵浦将钾原子从4s²S₁_/₂基态制备到4p²P₁_/₂和²P₃_/₂态的相干叠加态，并采用时间延迟的400 nm探测激光脉冲实现由此相干叠加态的单光子电离，光电子二维动量分布由速度成像谱仪精确测绘。他们在实验上首次观测到电子态在|mₗ=0,mₛ=±1/2⟩与|m_l=±1,mₛ=∓1/2⟩态间持续多达170个周期（时长超100 ps）的无退相干量子振荡，振荡频率达1.7 THz（对应自旋轨道7 meV能级分裂），并通过分波分辨技术成功解析出出射电子的波函数角动量成份，实现了量子态演化的实时可视化，揭示了钾原子体系的优异量子相干特性。研究中发展的分波分辨的量子投影测量方法（保真度达90%），为量子信息科学技术中相关自旋轨道耦合的超快量子操控提供了新方案。

该成果于2025年9月30日发表在物理学顶尖刊物Physical Review Letters上。吉林大学博士研究生李万凯为论文第一作者，吉林大学张栋栋副教授、丁大军教授及客座教授Kiyoshi Ueda（日本东北大学）为通讯作者。研究工作为国家自然科学基金委重点项目支持。

全文链接：http://doi.org/10.1103/lbw1-kwd5